Si les nanosciences étaient la télévision, nous serions dans les années 50. Bien que les scientifiques puissent fabriquer et manipuler des objets à l'échelle nanométrique avec un contrôle de plus en plus impressionnant, ils se limitent à des images en noir et blanc pour examiner ces objets. Les informations sur la chimie à l'échelle nanométrique et les interactions avec la lumière - la microscopie atomique équivalente à la couleur - sont incroyablement hors de portée de tous, sauf des chercheurs les plus persistants.

Mais tout cela pourrait changer avec l'introduction d'un nouvel outil de microscopie par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy (DOE) qui fournit des détails chimiques exquis avec une résolution que l'on croyait impossible. L'équipe a développé son outil pour étudier la conversion d'énergie solaire-électrique à son niveau le plus fondamental, mais leur invention promet de révéler de nouveaux mondes de données aux chercheurs de tous les horizons de la nanoscience.

"Nous avons trouvé un moyen de combiner les avantages de la microscopie à balayage/sonde avec les avantages de la spectroscopie optique, " dit Alex Weber-Bargioni, un scientifique à la Fonderie Moléculaire, un centre de nanosciences du DOE au Berkeley Lab. "Maintenant, nous avons un moyen d'examiner les processus chimiques et optiques à l'échelle nanométrique où ils se produisent."

Weber-Bargioni est l'auteur correspondant d'un article relatant cette recherche, Publié dans Science . Le papier est intitulé, « Cartographie de l'hétérogénéité de la recombinaison de charge locale par imagerie nanospectroscopique multidimensionnelle. Les co-auteurs de l'article sont Wei Bao, Mauro Meli, Frank Ogletree, Shaul Aloni, Jeffrey Bokor, Stéphano Cabrini, Michel Salmeron, Eli Yablonovitch, et James Schuck de Berkeley Lab; Marco Staffaroni de l'Université de Californie, Berkeley; Hyuck Choo de Caltech; et leurs collègues en Italie, Niccolo Caselli, Francesco Riboli, Diederik Wiersma, et Francesca Intoni.

« Si vous voulez caractériser des matériaux, notamment les nanomatériaux, la façon dont cela se fait traditionnellement est avec les microscopies électroniques et les microscopies à balayage/sonde parce que celles-ci vous donnent vraiment des résultats élevés, résolution spatiale subatomique, " dit le co-auteur James Schuck, chercheur en nano-optique à la Molecular Foundry. "Malheureusement, ce qu'ils ne vous donnent pas est chimique, informations au niveau moléculaire."

Pour des informations chimiques, les chercheurs se tournent généralement vers la spectroscopie optique ou vibrationnelle. La façon dont un matériau interagit avec la lumière est dictée en grande partie par sa composition chimique, mais pour les nanosciences, le problème de la spectroscopie optique à des échelles pertinentes est la limite de diffraction, qui dit que vous ne pouvez pas concentrer la lumière sur un point plus petit qu'environ la moitié de sa longueur d'onde, en raison de la nature ondulatoire de la lumière.

Pour contourner la limite de diffraction, les scientifiques utilisent la lumière "en champ proche". Contrairement à la lumière que nous pouvons voir, la lumière en champ proche décroît de façon exponentielle en s'éloignant d'un objet, difficile à mesurer, mais il contient une très haute résolution - beaucoup plus élevée que la normale, lumière de champ lointain.

Dit Schuck, "Le vrai défi de l'optique de champ proche, et l'une des grandes réalisations de cet article, est de créer un dispositif qui agit comme un transducteur de la lumière en champ lointain vers la lumière en champ proche. Nous pouvons le comprimer et obtenir des champs locaux très améliorés qui peuvent interagir avec la matière. Nous pouvons alors collecter tous les photons qui sont diffusés ou émis en raison de cette interaction, collecter en champ proche toutes ces informations de fréquence spatiale et les remettre en propagation, lumière de champ lointain."

L'astuce pour cette conversion est d'utiliser des plasmons de surface :des oscillations collectives d'électrons qui peuvent interagir avec des photons. Des plasmons sur deux surfaces séparées par un petit espace peuvent collecter et amplifier le champ optique dans l'espace, faire un signal plus fort pour les scientifiques à mesurer.

Les chercheurs ont exploité ces effets pour fabriquer des sondes de champ proche avec une variété de géométries, mais les expériences nécessitent généralement un alignement optique minutieux, souffrent de bruit de fond, ne fonctionnent que pour des plages de fréquences de lumière étroites et sont limités à des échantillons très minces.

Dans ce dernier ouvrage, cependant, les chercheurs du Berkeley Lab ont dépassé ces limites avec une sonde de champ proche intelligemment conçue. Fabriqué à l'extrémité d'une fibre optique, la sonde a une forme conique, pointe à quatre côtés. Les chercheurs ont nommé leur nouvel outil d'après le clocher de l'église campanile auquel il ressemble, inspiré par la tour de l'horloge emblématique du campus de l'UC Berkeley. Deux des côtés du campanile sont recouverts d'or et les deux couches d'or sont séparées de quelques nanomètres à la pointe. La conicité tridimensionnelle permet à l'appareil de canaliser la lumière de toutes les longueurs d'onde vers un champ amélioré à la pointe. La taille de l'écart détermine la résolution.

Dans un microscope à force atomique ordinaire (AFM), une pointe métallique pointue est essentiellement glissée sur un échantillon pour générer une carte topologique avec une résolution à l'échelle sub-nano. Les résultats peuvent être exquis mais ne contiennent que des informations spatiales et rien sur la composition ou la chimie de l'échantillon.

Remplacer l'embout AFM habituel par un embout campanile, c'est comme passer du noir et blanc à la couleur. Vous pouvez toujours obtenir la carte spatiale, mais il existe désormais une multitude de données optiques pour chaque pixel de cette carte. A partir des spectres optiques, les scientifiques peuvent identifier les espèces d'atomes et de molécules, et extraire des détails sur la structure électronique.

"C'est la beauté de ces conseils, " dit Schuck. " Vous pouvez simplement les mettre à l'extrémité d'une fibre optique et c'est comme si vous utilisiez un AFM ordinaire. Vous n'avez plus besoin d'être un super sportif en champ proche pour obtenir ce type de données."

L'équipe a développé son nouvel outil pour étudier les nanofils de phosphure d'indium. Ces nanofils, avec la bande interdite presque idéale de 1,4 électron-volt, sont bien adaptés à la conversion de l'énergie solaire en électricité. Les chercheurs ont découvert que les nanofils n'étaient pas les objets homogènes que l'on pensait auparavant, mais avaient à la place des propriétés optoélectroniques variables sur toute leur longueur, ce qui pourrait modifier radicalement la façon dont la lumière du soleil est convertie en électricité. Ils ont également découvert que la photoluminescence, une indication de la relation entre la lumière et l'électricité, était sept fois plus résistant dans certaines parties d'un nanofil que dans d'autres. C'est la première fois que quelqu'un mesure ces événements à une si petite échelle.

Weber-Bargioni déclare :« Des détails comme celui-ci sur les nanofils de phosphure d'indium sont importants car si vous souhaitez utiliser ces ventouses pour la photocatalyse ou un matériau photovoltaïque, l'échelle de longueur à laquelle nous mesurons est celle où tout se passe. Cette information est vraiment importante. pour comprendre comment, par exemple, la fabrication et le traitement de surface des nanofils influencent ces vitesses de recombinaison de charges. Ceux-ci déterminent l'efficacité avec laquelle un appareil solaire peut convertir les photons en électrons utilisables. »

Schuck ajoute :« Nous avons réalisé que c'était vraiment le moyen optimal de faire tout type d'expérience optique que l'on pourrait vouloir faire à l'échelle nanométrique. Nous l'utilisons donc pour l'imagerie et la spectroscopie, mais nous prévoyons également de nombreuses autres utilisations. »